CN109764202A - 一种波纹管式伸缩节 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种波纹管式伸缩节，其特征在于：所述波纹管式伸缩节沿伸缩节径向从内向外有四层结构，单层壁厚为2.0mm，横截面为U型，以所述波纹管式伸缩节的总质量为100％计，成分为C：0.01‑0.04％、Si：0.1‑0.5％、Mn：2.3‑2.6％、P：0.002‑0.004％、S：0.002‑0.03％、Ni：15‑19％、Cr：20‑23.5％、N：0.006‑0.05％、Al：0.01‑0.04％、Nb：0.6‑0.15％、Ta：0.004‑0.3％、Nd：0.1‑0.25％，其余为铁和不可避免的杂质。本发明通过采用多层薄壁加强型U型结构的波纹管式伸缩节，控制波纹管的元素种类和含量，规范控制生产工艺，提高了波纹管自身刚度，降低了波纹管变形时所受的内应力，增加了波纹管式伸缩节的耐高温、耐高压、耐腐蚀性能，提高了波纹管式伸缩节的使用寿命。

Description

一种波纹管式伸缩节

技术领域

本发明涉及波纹管技术领域，尤其涉及一种波纹管式伸缩节。

背景技术

伸缩节是压力管道中为减少或消除温度变位和沉陷变位所产生的附加应力 而设置的构件。在以往的水利工程中，大多使用套筒式伸缩节。实践表明，套筒 式伸缩节在运行中很少完全避免渗漏，需要经常进行维护。

波纹管式伸缩节是在近来水利工程实践中逐渐发展起来的一种新型伸缩节， 核心元件由高性能不锈钢薄板制作的单个或多个波纹管组成。结构特点决定其轴 向变位、横向变位和角变位的小刚度高柔性，能够补偿管道因热位移、机械位移, 以及由地质变化和地震发生时造成的任意方向的位移。

在一些大型水利工程实践中需要合理设计波纹管式伸缩节的材质、结构、制 造工艺等来确保用在一些特殊水利工程时质量的可靠性和安全性。

发明内容

为克服现有技术中存在的质量的可靠性和安全性问题，本发明提供了一种波 纹管式伸缩节。

一种波纹管式伸缩节，其特征在于：所述波纹管式伸缩节沿伸缩节径向从内 向外有四层结构，单层壁厚为2.0mm，横截面为U型，以所述波纹管式伸缩节的 总质量为100％计，成分为C：0.01-0.04％、Si：0.1-0.5％、Mn：2.3-2.6％、P： 0.002-0.004％、S：0.002-0.03％、Ni：15-19％、Cr：20-23.5％、N：0.006-0.05％、 Al：0.01-0.04％、Nb：0.6-0.15％、Ta：0.004-0.3％、Nd：0.1-0.25％，其余为 铁和不可避免的杂质。

在本发明的一优选实施例中，以所述波纹管式伸缩节的总质量为100％计，成 分为C：0.02％、Si：0.2％、Mn：2.5％、P：0.002％、S：0.002％、Ni：15％、Cr： 20％、N：0.01％、Al：0.03％、Nb：0.6％、Ta：0.004％、Nd：0.15％，其余为铁和 不可避免的杂质。

在本发明的一优选实施例中，所述波纹管式伸缩节在拉力试验中，屈服强度 大于206N/mm，拉力强度大于520N/mm，伸长率大于40％，在硬度试验中HB小于 187,HRB小于90，HV小于200。

在本发明的一优选实施例中，所述波纹管式伸缩节沿伸缩节径向从内向外最 外面一层壁厚小于内三层的壁厚，为3.5mm。

在本发明的一优选实施例中，制造端管、中间接管等结构的钢板材质为07MnMoVR，其化学成分的质量分数为，C≤0.09％、Si 0.15-0.4％、Mn 1.2-1.6％、 P≤0.02％、S≤0.01％、Cu≤0.25％、Ni≤0.4％、Cr小于等于0.3％、Mo 0.1-0.3％， V 0.02-0.06％。

在本发明的一优选实施例中，制造波纹管时，钢板采用机械加工或自动火焰 切割进行切割刨边，焊接坡口时，采用机械加工进行，所有边缘不得有裂缝、裂 纹、夹层、夹渣或其他缺陷。

在本发明的一优选实施例中，所述钢板划线的宽度和长度的允许偏差为± 1mm，对角线相对差的允许偏差为2mm，对应边相对差的允许偏差为1mm，曲线部 分的矢高为±0.5mm。

在本发明的一优选实施例中，所述波纹管式伸缩节的内套管管节纵缝不应设 在管节横剖面的水平轴线和铅垂轴线上，与上述轴线的夹角应大于10°，且与 相邻钢管管节的纵缝错开布置，距离不小于300mm。

在本发明的一优选实施例中，波纹管式伸缩节现场制作时，先将多层波纹管 套合再滚压成型，然后进行钢管组装，最后采用07MnMoVR高强钢作为接头钢号 进行焊接。

在本发明的一优选实施例中，制造工艺为，构件下料与加工、卷板与检验、 构件组圆拼装、构件焊接、波纹管组装与焊接、水压试验、密封性能试验。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)采用四层结构，一方面提高了波纹管厚度，又提高了波纹管强度；

(2)采用2mm薄壁U型结构，整体滚压成型，避免了波纹管应力集中的影 响，从而保证波纹管抗压安全的前提下，减小波纹管自身刚度，使波纹管变形时 所受内应力大大减少，另一方面也提高了波纹管式伸缩节的使用寿命；

(3)控制波纹管中元素的种类和含量，从而保证了波纹管可以耐高温、耐 高压、耐腐蚀，提高了波纹管式伸缩节的使用寿命；

(4)控制波纹管式伸缩节的生产工艺和检测，使得生产过程中标准一致， 质量统一。

具体实施方式

以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的 具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

一种波纹管式伸缩节，所述波纹管式伸缩节沿伸缩节径向从内向外有四层结 构，单层壁厚为2.0mm，横截面为U型，以所述波纹管式伸缩节的总质量为100％ 计，成分为C：0.01-0.04％、Si：0.1-0.5％、Mn：2.3-2.6％、P：0.002-0.004％、 S：0.002-0.03％、Ni：15-19％、Cr：20-23.5％、N：0.006-0.05％、Al：0.01-0.04％、 Nb：0.6-0.15％、Ta：0.004-0.3％、Nd：0.1-0.25％，其余为铁和不可避免的杂 质。

在本实施例中，以所述波纹管式伸缩节的总质量为100％计，成分为C：0.02％、Si：0.2％、Mn：2.5％、P：0.002％、S：0.002％、Ni：15％、Cr：20％、N：0.01％、 Al：0.03％、Nb：0.6％、Ta：0.004％、Nd：0.15％，其余为铁和不可避免的杂质。

在本实施例中，所述波纹管式伸缩节在拉力试验中，屈服强度大于206N/mm， 拉力强度大于520N/mm，伸长率大于40％，在硬度试验中HB小于187,HRB小于 90，HV小于200。

在本实施例中，所述波纹管式伸缩节沿伸缩节径向从内向外最外面一层壁厚 小于内三层的壁厚，为3.5mm。

在本实施例中，制造端管、中间接管等结构的钢板材质为07MnMoVR，其化学 成分的质量分数为，C≤0.09％、Si 0.15-0.4％、Mn 1.2-1.6％、P≤0.02％、S≤0.01％、 Cu≤0.25％、Ni≤0.4％、Cr小于等于0.3％、Mo 0.1-0.3％，V 0.02-0.06％。

实施例2：

波纹管式伸缩节从制造工艺上来看，包括：

1、构件下料与加工

波纹管式伸缩节内、外套管及压圈瓦块下料采用手工划线，半自动切割，外 套管及压圈的环板用数控切割机切割，切割后用砂轮机进行打磨修整，直边部分 采用刨边机进行刨边，具体的允许偏差满足要求。

2、卷板与检验

内、外套管、压圈、端环等构件瓦块卷板，首先制作检验样板，瓦块加工完 成经检查合格后进行卷板，卷板后，将瓦块自由立于刚性平面上，水流方向朝上， 用样板检查弧度，样板与瓦块的间隙应≤3mm，不允许有急弯，同时应在自由状 态下对瓦块进行地样检查，瓦块同地样允许相差3mm。

3、构件组圆拼装

伸缩节的内、外管套及压圈拼装前先将刚性平面垫平，保证刚性平面水平度 a≤2mm，将瓦块吊到刚性平面上按半径要求(+2mm～+4mm)进行拼装，焊接纵 缝时处于自由状态。纵缝点焊完后用样板检查焊缝处弧度，样板与瓦块间隙应≤ 3mm；检查半径、周长、上管口水平、高度、管口同心度、样板与瓦块间隙，检 查合格并加固预留纵缝后进行焊接。

4、构件焊接

焊接方法：内套管、外套管的纵缝，端环、加强环的对接焊缝和角焊缝，压 圈的纵缝，接管的对接焊缝和吊耳采用焊条手工电弧焊和埋弧焊焊接；波纹管的 焊接全部采用钨极氩弧焊；环板、挡圈的环缝、筋板的焊缝等其他部件的焊接采 用焊条手工电弧焊焊接。

进一步的，焊接收缩量及焊接质量控制措施：各部件制作时必须严格控制周 长，因此拼装必须预留足够的焊接收缩余量，而且在纵缝焊接时预留1条纵缝暂 不焊，待加强圈与接管焊接完成后，检查管节周长满足设计要求后再进行焊接； 为控制焊接变形，焊接过程中随时用样板检查管节的弧度和根据弧度变化调整焊 接顺序；环板、加强圈、加筋板、水封挡圈的焊接先分成若干等份，然后进行定 位加固焊，正式焊接时由6名焊工同时施焊，焊接时严格按预先制定的焊接工艺 和等分位置采用跳焊和多层多道焊等手段来控制焊接变形。

5、波纹管组装与焊接

波纹管是伸缩节制作的关键部件，伸缩节波纹管拼装工艺要求：

(1)将内套管及端环组装的表面除锈、对接坡口清理、打磨干净；

(2)利用专用吊具将波纹管绑扎在吊具上进行吊装就位，用软木垫条支垫， 采用卡具使波纹管合拢，并严防电弧对其造成击穿；

(3)调整波纹管与内套管、端环间隙均匀，并紧贴，用手工钨极氩弧焊进 行点焊。点焊时用铜锤锤击敲打，使波纹管与内套管及外套管端环贴紧；

(4)点焊完先打底，用手工钨极氩弧焊打底焊接，然后用铜锤锤击敲打， 使波纹管与内套管及端环贴紧，然后按工艺进行焊接及检验。

波纹管焊接全部采用钨极氩弧焊，波纹管焊接工艺要求：

6、水压试验

为了检验波纹管式伸缩节制作的质量、验证伸缩节的结构设计，伸缩节制作 完成后按要求对波纹管进行水压试验。

利用40mm,材质为Q345R板材卷置为打压钢板(外径小于波纹管式伸缩节内 径约为20mm)，套入伸缩节内部，并在两者间加入10mm工艺垫板，然后进行打 压测试。测试完成后采用碳弧气刨割除打压钢带，并整体打磨。可避免伤害母材。 分上游段和下游段进行水压检验。

在打压钢板内，采用环形钢板进行支撑加强，实施简便、材料节约，其加 强环及支撑可重复利用。如出现问题可分段进行修补及补焊。

考虑打压内套筒的经济成本，应用“外压圆筒设置加强圈计算”，对打压内 套筒做壁厚减薄增加加强圈及加强支撑的设计。

7、密封性能

伸缩节的密封性能应通过气密性或煤油渗漏试验进行检验，试验介质为洁净 的空气，试验压力为1.0倍的设计压力，缓慢升压到设计规定的试验压力并持压 10min后，经检查应无渗漏。

8、打压顺序

(1)注入常温水，待注满后接入打压设备进行打压；

(2)密封测试：利用试压泵进行打压，待压力达到1.65MPa时，关闭注水 阀，保压10min，利用5倍放大镜，对波壳表面及其纵焊缝、环焊缝进行全面仔 细的目视循环检查；

(3)水压测试：在1.65MPa的密封测试结束后，打开注水阀，将水压缓慢 冲1.65MPa上升至2.5MPa，然后再关闭注水阀，保压20min，此过程中再用5 倍放大镜，对波壳表面及其纵焊缝、环焊缝进行全面仔细的目视循环检查，无渗 水、无变形。

实施例3：

波纹管在管坯外观上应无无鼓包、卷角、扭曲、急弯等变形，尺寸公差符合 ASME标准规定，表面应无油污、灰尘及腐蚀性等污物。

原材料画线用专门画线工具，采用无氯、无氟、无硫记号笔做标记。采用开 平机下料，以保证下料口部对口均一、整齐、尺寸精确，从而为保证波纹管纵焊 缝质量提供尺寸保证。

焊接人员必须有合格焊工资质证书，技能熟练。焊接操作必须按工艺工程师 编制的工艺文件规定的要求执行。

焊后对波纹管表面进行检查，应符合EJMA的规定，表面无可见裂纹、气孔、 咬边等缺陷，焊缝与母材厚度的高差应不大于10％。焊缝外观美观、与母材平滑 过渡，表面颜色应显银白色、金黄色，可呈蓝色，但不能为黑色。波纹管管坯纵 焊缝进行100％射线探伤。

实施例4：

瓦片是波纹管式伸缩节制作的最基本单元，控制其下料尺寸是波纹管式伸缩 节制作质量控制的基础，也是关键之一。包括如下步骤：

1、钢板除锈：防止钢板生锈腐蚀，对钢板预进行抛光上漆预处理。

2、板材下料：

(1)下料时，须抽检区分板材厚度，根据板厚、板宽情况，加上厚度附加 值计算以确定下料瓦片尺寸。

用于制造端管、中间接管等结构的钢板为07MnMoVR。所购钢板应具有出厂合 格证，并应在钢厂内进行100％超声波探伤检验，其化学成分应符合下表的要求。

结构件下料全部采用自动下料切割机，下料尺寸须准确无误。

(2)钢板的切割刨边，按批准的加工工艺，用机械加工或自动火焰切割进 行。人工火焰切割仅限于机械加工或自动火焰切割无法进行处。

(3)焊接坡口，采用机械加工进行，如采用自动火焰切割应按有关规定处 理。所有边缘不得有裂缝、裂纹、夹层、夹渣或其他缺陷。

(4)钢板划线的允许偏差应符合下表的规定值。

项目	极限偏差(mm)
		宽度和长度	±1
对角线相对差	2
		对应边相对差	1
矢高(曲线部分)	±0.5

(5)钢板划线后，应用油漆分别标出钢管分段、分节、分块的编号，水流 方向、水平和垂直的中心线、孔位置，坡口角度以及切割线等符号。

(6)波纹管式伸缩节内套管管节纵缝不应设在管节横剖面的水平轴线和铅 垂轴线上，与上述轴线的夹角应大于10°，且与相邻钢管管节的纵缝错开布置， 距离不小于300mm。

3、管桶卷制

波纹管式伸缩节各接管管径大、高度小，端管、抬高接管、导流筒高度尺寸 为360～1300mm之间5种规格，管节内径在10973～11550mm之间4种规格，为 便于控制焊接变形和收缩，采取分割4片瓦片制作。瓦片长宽比极大，瓦片下料 切割受热后极易产生侧弯及扭曲变形，在卷制过程中瓦片与卷板机上下轧辊之间 接触面积小，难以对正卷制时产生扭曲变形。为保证成型后的尺寸精度，采用同 一块钢板上对同一类型的瓦片进行统一下料。

4、卷板

(1)、卷板方向应和钢板压延方向一致；

(2)钢板应在卷板机上压弯成形，不允许采用击打的方法弯曲成形和校正 曲率；

(3)卷板后，将瓦片以自由状态立于平面上，用样板检查其弧度，其偏差 应符合规定。

5、制造公差

(1)坡口加工公差，应符合监理单位批准的焊缝坡口型式及允许偏差；

(2)卷板后瓦片弧度偏差，当样板弦长2.0m时，样板与瓦片的间隙不应超 过3.0mm；

(3)钢管对圆操作应在刚性平面上进行，其管口不平度允许偏差3mm；

(4)波纹管式伸缩节的内、外套管和止水压环焊接后的弧度，应用样板检 查，样板弦长2.0m，其间隙在纵缝处不应大于6mm，其他部位不应大于3mm。在 套管的全长范围内，检查上、中、下三个断面；

(5)波纹管式伸缩节内、外套管和压环的实测直径与设计直径的极限偏差 不超过±2.5mm，并应检测不少于3对直径来控制伸缩节内、外套管及压环的圆 度。伸缩节内、外套管的实测周长与设计周长的极限偏差为不超过8mm；

(6)环板应用样板检查，样板弦长2.0m，间隙不应超过3.0mm。

实施例5：

1、对于产品焊接特性研究，根据对07MnMoVR高强钢化学成分表及其机械性 能表的分析：

07MnMoVR高强钢Mn含量较高，约为1.2％～1.6％，含C、S量很低的压力容 器用调质高强度板，抗拉强度达到630～730Mpa。减少含C量提高了07MnMoVR 高强钢的焊接性。

因此07MnMoVR高强钢焊接性通常出现以下几个方面的问题：

(1)焊接引起的各种焊接缺陷，主要是各类裂纹问题。07MnMoVR焊接时一 般产生的裂纹一般是焊接热裂纹和焊接延迟性裂纹。

(2)焊接时材料性能的变化：主要是热影响区及焊缝组织发生变化。

焊接材料选用表

(3)07MnMoVR高强钢选用焊接材料及焊接工艺：

07MnMoVR钢手工电弧焊纵缝焊焊接工艺参数表

压力钢管纵缝坡口为无钝边的1/3不对称X形，坡口角度为60°，采用12 刨边机加工，环缝坡口为2mm钝边的对称X形，坡口角度亦为60°，采用半自 动切割机加工。

2、焊接注意事项：

(1)除环焊缝外，埋弧焊及手工焊均应设引弧板(引入板和引出板)，焊接 时不能在母材上引弧，应在坡口内或引弧板上引弧。

(2)工卡具的去除严禁锤击，应用碳弧气刨或气割在离管壁3mm以上割除， 严禁损伤母材，然后用砂轮打磨平整。由于特殊原因中途停焊时，应立即进行热 保温，再次焊接时应全部进行预热后方可按原焊缝要求进行焊接。

(3)采用不对称X形(1/3坡口)，焊接时保证多层多道和对称焊接，现焊 接2/3侧坡口焊缝，留盖面层，转背缝进行气刨清根并打磨合格后，再进行焊接。

(4)安装焊缝为环焊缝，应逐条焊接，不能跳焊，均采用手工焊接，采用 分段倒退施焊的方式进行焊接，以管左右中分界，管内先立焊、仰焊焊缝。管外 平焊、立焊背缝。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并 非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其 他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关 领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的 精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种波纹管式伸缩节，其特征在于：所述波纹管式伸缩节沿伸缩节径向从内向外有四层结构，单层壁厚为2.0mm，横截面为U型，以所述波纹管式伸缩节的总质量为100％计，成分为C：0.01-0.04％、Si：0.1-0.5％、Mn：2.3-2.6％、P：0.002-0.004％、S：0.002-0.03％、Ni：15-19％、Cr：20-23.5％、N：0.006-0.05％、Al：0.01-0.04％、Nb：0.6-0.15％、Ta：0.004-0.3％、Nd：0.1-0.25％，其余为铁和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种波纹管式伸缩节，其特征在于：以所述波纹管式伸缩节的总质量为100％计，成分为C：0.02％、Si：0.2％、Mn：2.5％、P：0.002％、S：0.002％、Ni：15％、Cr：20％、N：0.01％、Al：0.03％、Nb：0.6％、Ta：0.004％、Nd：0.15％，其余为铁和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的一种波纹管式伸缩节，其特征在于：所述波纹管式伸缩节在拉力试验中，屈服强度大于206N/mm，拉力强度大于520N/mm，伸长率大于40％，在硬度试验中HB小于187,HRB小于90，HV小于200。

4.根据权利要求1所述的一种波纹管式伸缩节，其特征在于：所述波纹管式伸缩节沿伸缩节径向从内向外最外面一层壁厚小于内三层的壁厚，为3.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种波纹管式伸缩节，其特征在于：制造端管、中间接管等结构的钢板材质为07MnMoVR，其化学成分的质量分数为，C≤0.09％、Si 0.15-0.4％、Mn 1.2-1.6％、P≤0.02％、S≤0.01％、Cu≤0.25％、Ni≤0.4％、Cr小于等于0.3％、Mo 0.1-0.3％，V0.02-0.06％。

6.根据权利要求1所述的一种波纹管式伸缩节，其特征在于：制造波纹管时，钢板采用机械加工或自动火焰切割进行切割刨边，焊接坡口时，采用机械加工进行，所有边缘不得有裂缝、裂纹、夹层、夹渣或其他缺陷。

7.根据权利要求6所述的一种波纹管式伸缩节，其特征在于：所述钢板划线的宽度和长度的允许偏差为±1mm，对角线相对差的允许偏差为2mm，对应边相对差的允许偏差为1mm，曲线部分的矢高为±0.5mm。

8.根据权利要求6所述的一种波纹管式伸缩节，其特征在于：所述波纹管式伸缩节的内套管管节纵缝不应设在管节横剖面的水平轴线和铅垂轴线上，与上述轴线的夹角应大于10°，且与相邻钢管管节的纵缝错开布置，距离不小于300mm。

9.根据权利要求1所述的一种波纹管式伸缩节，其特征在于：波纹管式伸缩节现场制作时，先将多层波纹管套合再滚压成型，然后进行钢管组装，最后采用07MnMoVR高强钢作为接头钢号进行焊接。

10.根据权利要求1所述的一种波纹管式伸缩节，其特征在于：制造工艺为，构件下料与加工、卷板与检验、构件组圆拼装、构件焊接、波纹管组装与焊接、水压试验、密封性能试验。